Trombospondina-1, fibrosis y complicaciones de la diabetes

La diabetes mellitus (DM) es una de las enfermedades metabólicas que ha aumentado significativamente en naciones desarrolladas y en desarrollo. Sobre la base de sus diferentes etiologías se reconocen dos tipos de casos de diabetes: diabetes mellitus tipo 1 (DMT1) y diabetes mellitus tipo 2 (DMT2). Aunque los mecanismos de patogénesis subyacentes y el número de personas afectadas no son los mismos, algunas complicaciones crónicas inducidas por la hiperglucemia se observan en las personas con alguno de estos tipos de diabetes. Las complicaciones diabéticas representan un riesgo para anormalidades metabólicas como disfunción endotelial, inflamación, vasoconstricción, oxidación y fibrosis. Estas complicaciones aumentan significativamente la morbilidad y mortalidad de los pacientes diabéticos.

   La fibrosis puede ocurrir en varios tejidos de los pacientes diabéticos, incluyendo corazón, hígado, riñón y retina. Aunque el mecanismo completo para la progresión de la fibrosis en la diabetes todavía no está muy claro, el metabolismo de la glucosa y la resistencia a la insulina son considerados los principales factores de la etiopatogenia de la fibrosis. El proceso de fibrosis requiere de la participación dinámica de la matriz extracelular (MEC) y es controlado por una familia de moléculas estructuralmente no relacionadas llamadas proteínas multicelulares. La evidencia reciente indica que la trombospondina-1 (TSP-1), una glucoproteína extracelular que se encuentra en la MEC, juega un rol importante en la remodelación vascular regulando la respuesta arterial al daño. Los estudios indican que el incremento en TSP-1 está involucrado en el proceso patológico de fibrosis en múltiples órganos de los pacientes con DM, excepto la retina.

   La TSP-1 pertenece a la familia trombospondina (TSP) y fue identificada por primera vez a través de su liberación en respuesta a la activación de las plaquetas por la trombina, por lo que inicialmente fue llamada proteína sensible a la trombina (TSP). De acuerdo con la organización molecular, la familia de genes trombospondina, la cual comprende proteínas codificadas por cinco genes separados, está dividida en dos subfamilias, tipo A y tipo B. TSP-1 y TSP-2 pertenecen  al subgrupo A, y el subgrupo B consiste de TSP-3, TSP-4 y TSP-5. La TSP-1 es codificada por un gen llamado THBS1 (16393 bases incluyendo 22 exones) en diferentes localizaciones cromosomales entre las diversas especies. Los exones 2-21 codifican las 5729 bases del mARN. De acuerdo con varios estudios,  múltiples sitios de unión en la región del promotor TSP-1 pueden ser activados  por la hiperglucemia para incrementar su expresión. Por otra parte, diferentes factores de transcripción se unen  al promotor de TSP-1 para inducir su expresión, incluyendo factores estimuladores al alza ½ (USF1/2), proteína estimulante 1 (Sp1), factor nuclear kappa B (NF-κB), respuesta de crecimiento temprano 1 (Egrl1) y proteína activadora 1 (AP1). La proteína TSP-1 consiste de cinco subunidades: un dominio N-terminal (NTD), una secuencia de oligomerización (O), una región de homología con procolageno (PC), tres tipos de unidades repetidas (tipos 1,2 y 3) y un dominio C-terminal. En contraste con otras proteínas estructurales de la MEC, la TSP-1 no contribuye directamente a la integridad de una entidad física como una fibra o una membrana basal, sino que actúa contextualmente para influir en la función celular modulando las interacciones célula-matriz.

   Los resultados de diversos estudios demuestran que la hiperglucemia estimula la expresión de TSP-1 y múltiples rutas y/o factores están involucrados. El proceso completo está compuesto por tres etapas. Primero, algunas rutas son disparadas por la hiperglucemia. Segundo, estas rutas, una vez activadas,  inducen un incremento en la actividad de los factores de transcripción, los cuales se unen directamente al promotor de TSP-1 para inducir su expresión. Finalmente, el incremento en la producción de TSP-1 provoca su unión a diferentes receptores para provocar fibrosis regulando una gran proporción de proteínas expresadas en la MEC.

   La proteína quinasa C (PKC) es un mensajero intracelular requerido para la proliferación y migración celular. La actividad de la PKC  ha sido involucrada en el mecanismo por el cual la glucosa estimula la activación de la TSP-1, provocando  la siguiente pregunta: ¿cuál es el mecanismo por el cual los altos niveles de glucosa incrementan la actividad de la PKC? Algunos autores sugieren que la hiperglucemia causada por la diabetes induce la activación inmediata de la PKC a través de la síntesis de diacilglicerol (DAG), la cual es disparada por el estrés oxidativo. Esta suposición da lugar a otra pregunta: ¿cuál es la ruta precisa activada por la PKC que induce la expresión de TSP-1? Está demostrado que el incremento en la expresión de TSP-1 inducido por la PKC es mediado por la angiotensina II (Ang II). Por otra parte, la PKC también puede ser activada vía ruta de la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK) a través de la cual son activados algunos factores de transcripción para facilitar la expresión de TSP-1.

   La familia MAPK es un grupo de serina/treonina quinasas que transduce señales de la superficie celular al núcleo, resultando en un rango de funciones biológicas mediante la modulación  la función de factores de transcripción y de esta manera cambiar el patrón de transcripción de genes, incluyendo genes  relacionados con la fibrosis. La familia MAPK incluye principalmente a la quinasa c-Jun amino terminal (JNK), la quinasa regulada por señal extracelular (ERK) y la MAPK. El bloqueo de la ruta MAPK resulta en la inhibición de la expresión de TSP-1.

   La Ang II, una molécula efectora producida por el sistema renina-angiotensina (RAS), es activada en casos de diabetes por los niveles elevados de productos terminales de la glicación avanzada (AGE). La evidencia acumulada sugiere que la Ang II juega un rol en el desarrollo de la fibrosis a través del receptor de Ang II tipo 1 (AT1), resultando en la proliferación de fibroblastos y la acumulación neta de colágeno fibrilar. Un reporte reciente demuestra que el candesartan es uno de los bloqueadores del receptor AT1, lo cual ha atraído mucha atención por su potencial actividad anti-fibrosis. Esta atenuación de la fibrosis a través del bloqueo del receptor AT1 también es mediada por alteración de la actividad del factor de crecimiento transformante- β1 (TGF-β1), el cual también induce la expresión de TSP-1. Aunque está demostrado que la Ang II puede estimular la expresión de TSP-1 aún no se conoce exactamente la ruta de señalización del receptor AT1 que media este efecto de la Ang II. Algunos estudios sugieren que la producción de TSP-1 inducida por Ang II puede estar asociada con  MAPK  y JNK. Otros estudios indican que la TSP-1 está asociada con la actividad del TGF-β1, el cual juega un rol crítico pues activa directamente la ruta MAPK.

   En condiciones de hiperglucemia, el incremento en la expresión de especies reactivas de oxígeno (ROS) producido por la oxidación de la glucosa en las mitocondrias activa el estrés de retículo endoplásmico  (RE). En el estadio inicial del estrés RE se activa la respuesta de proteínas no plegadas (UPR) para aumentar la degradación de estas proteínas. Sin embargo, si la activación del estrés RE es prolongada, se inducirá fibrosis debido a la aceleración de la proliferación de fibroblastos por proteínas de la MEC como TGF-β1 y TSP-1. La inhibición farmacológica del estrés RE previene la fibrosis a través de la supresión de la expresión de TGF-β1 y TSP-1. Aunque el mecanismo subyacente todavía no está muy claro, varios estudios demuestran que la interferencia o “knockout” del factor de transcripción proteína homóloga C/EBP (CHOP) podría reducir significativamente la expresión de TGF-β1. El CHOP es un factor de transcripción pro-apoptosis, el cual es activado por tres rutas: proteína quinasa RNA (PKR)/quinasa RE pancreática (PERK), factor de transcripción activante-6 (ATF-6) y enzima que requiere inositol 1 (IRE-1). Además de inducir apoptosis, el CHOP juega un rol importante en la modulación de la señal NF-κB, el cual es un regulador mayor para modular la expresión de TSP-1. Más aún, el incremento en la producción de ROS por estrés RE también podría activar múltiples citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo  NF-κB. Por tanto, según la hipótesis de algunos investigadores, el estrés RE induce la expresión de TSP-1 vía NF-κB.

   Los microARN (miARN) son pequeñas moléculas de ARN no codificante que modulan la expresión de genes y la síntesis de proteínas. En años recientes, algunos reportes demuestran que los miARN están involucrados en el proceso de fibrosis de las complicaciones de la diabetes. Más de 100 miARN muestran expresión diferencial en los pacientes con diabetes, incluyendo miR-155 y miR-146a, los cuales juegan un rol importante en el proceso de fibrosis. Estos dos miARN activan la expresión de TGF-β1 y NF-κB en tejido renal de pacientes diabéticos y modelos animales. Por otra parte, en condiciones de hiperglucemia aumenta el miR-21, el cual dispara la expresión de TSP-1 a través de la activación de la señal TGF-β1/Smad7. Por el contrario, otros miARN como miR-30c, miR-23 y miR29 disminuyen en condiciones diabéticas. Estos miARN inhiben significativa la transición epitelio-mesenquima inducida por TGF-β1.

   La familia TGF-β está dividida en TGF-β1 y TGF-β2. Está demostrado que la hiperglucemia estimula un incremento en la actividad de TGF-β1, resultando en la promoción de fibrosis en diferentes órganos en modelos de animales diabéticos. Distintas rutas están involucradas en la activación del TGF-β1, incluyendo Ang II, MAPK y TSP-1. La TSP-1 es crítica para la activación del TGF-β1 en células expuestas a altas concentraciones de glucosa, lo cual contribuye a la acumulación de proteínas de la MEC. Este proceso es necesario para la expresión de CD36 a la cual se une la TSP-1. Después de su activación, el TGF-β1 inicia una respuesta celular uniéndose al receptor de TGF-β tipo II (TβR-II) para aumentar la transcripción de 60 genes relacionado con la MEC. Después de la unión del ligando, se inicia la activación de dos rutas diferentes, una de las cuales es la señal Smad. El TβR-II activa  la TβRI quinasa, la cual fosforila  a Smad2 y Smad3 para inducir la fibrosis. La señal Smad también es crítica en el proceso de fibrosis inducido por otros factores pro-fibrosis como Ang II y AGE. El TGF-β1 y la Ang II son conocidos como inductores de fibrosis que se activan mutuamente. El TGF-β1 aumenta la expresión de Ang II vía señal Smad. Después de la fosforilación, las proteínas Smad2 y Smad3 son trasladadas del citoplasma al núcleo donde promueven la expresión del factor de crecimiento de tejido conectivo (CTGF), el cual es un mediador del TFG-β1 y juega un rol esencial en la fibrosis. El TGF-β1 es también un potente estímulo para la producción de moléculas de la matriz como colágeno I y fibronectina a través de la ruta Smad. Otras rutas iniciada a través de la unión de TGF-β1 al TβR-II involucra señales no Smad e incluye las rutas ERK1/2 y MAPK p38. La MAPK puede inducir la expresión de TSP-1. Por tanto, TSP-1 no solo es un activador de TGF-β1sino también es regulada por TGF-β1 por lo que se establece un ciclo de retroalimentación entre TSP-1 y TGF-β1.

   El CD47, inicialmente llamado proteína asociada a integrina, es un receptor de TSP-1. Después de unirse al dominio C-terminal de la TSP-1, el CD47 inicia la señal de una proteína G heterotrimérica que aumenta las funciones de la familia de integrinas β1, β2 y β3. El CD47 tiene roles importantes en un rango de actividades celulares, incluyendo migración y proliferación celular, activación de plaquetas y motilidad celular. El CD47 se une a la TSP-1 para activar la ruta Rho-Rho quinasa (ROCK)-miosina e induce defenestración, la cual es un proceso patológico de desdiferenciación que provoca fibrosis. Adicionalmente, la señal TSP-1-CD47 estimula la producción de ROS, las cuales son factores que aceleran la progresión de la fibrosis.

   El CD36 fue conocido inicialmente como glucoproteína IV,  su síntesis aumenta en las personas con diabetes y está asociado con la patogénesis de las complicaciones de la diabetes. El CD36 está involucrado en una variedad de procesos biológicos, incluyendo metabolismo de lípidos, inflamación, ateroesclerosis y angiogénesis, dependiendo de la naturaleza del ligando al cual está expuesto, pues hay múltiples proteínas que se unen al CD36, incluyendo la TSP-1. El CD36 interactúa con la TSP-1 a través de la secuencia CSVTCG de la TSP-1. Después de la unión, el complejo CD36-TSP-1 activa al TGF-β1 para iniciar la fibrosis celular. Por tanto, el CD36 es un factor importante en una ruta que conduce a la fibrosis.

   La fibrosis, la cual se caracteriza por acumulación de MEC, es una respuesta patológica común que provoca complicaciones de la diabetes y es también una de las principales causas de morbilidad y mortalidad de pacientes diabéticos. Aunque la expresión de TSP-1 ocurre en diferentes tejidos y órganos, la activación de proteínas de la MEC inducida por la TSP-1difiere cualitativamente y cuantitativamente de tejido a tejido y en los diversos órganos.

   La nefropatía diabética (ND) es una complicación común en los pacientes con diabetes, marcada por la acumulación de MEC y relacionada con el incremento en la producción y actividad del TGF-β1. Dado que la TSP-1 convierte al TGF-β1 latente en la forma activa, la expresión de ambos aumenta significativamente en los riñones en la ND. Además del TGF-β1, otras rutas como CTGF, fibronectina y colágeno tipo I, tipo III y tipo IV han sido observadas en la ND. Estos hallazgos sugieren que diferentes tipos de proteínas de la MEC pueden aumentar para producir fibrosis en la ND.

   La cardiomiopatía diabética (CD) se caracteriza por extensos cambios fibróticos y la expansión de áreas intersticiales cardiacas provocando hipertrofia del miocardio y disfunción diastólica. La expresión de TSP-1 es regulada al alza en el miocardio de personas diabéticas mostrando hipertrofia y fibrosis intersticial. Por otra parte, TGF-β1, fibronectina, colágeno (tipos I, III y IV) y CTGF también aumentan en la CD. Todos estos marcadores están asociados con la regulación al alza de la TSP-1. La TSP-1 es un mediador significativo de la complicación fibrótica de la diabetes asociada con la estimulación de la Ang II, la cual también es regulada al alza en la diabetes y ha sido implicada en la fibrosis cardiaca. Esta clase de proliferación de fibroblastos cardiacos y la acumulación neta de colágeno fibrilar son debidas al incremento en la expresión de TSP-1 inducida por Ang II. Adicionalmente, la activación de las rutas PKC y MAPK también aumenta en los pacientes con CD. Por tanto, hay múltiples rutas involucradas en el incremento de la expresión de TSP-1 en los casos de  CD.

   La retinopatía diabética (RD) es una complicación vascular de la diabetes que progresa al estado proliferativo con neovascularización activa. Un marcador clínico de la RD es el engrosamiento de la membrana basal de los capilares que resulta del incremento en la producción de colágeno tipo I, III y IV, fibronectina, CTGF y TGF-β1. Por el contrario, la expresión de TSP-1 es virtualmente ausente en el tejido retiniano de ratas diabéticas. Es bastante interesante que la mayoría de las proteínas de la MEC aumentan significativamente, pero este incremento no es mediado por la TSP-1. De acuerdo con los datos de varios estudios, la TSP-1, además de su función en la fibrosis,  tiene efectos anti-angiogénesis. En los pacientes con RD, la actividad anti-angiogénesis de la TSP-1 es predominante en la retina.  Por tanto, el proceso de fibrosis es inducido principalmente por neovascularización activa y angiogénesis. El factor de crecimiento de la célula del endotelio vascular (VEGF), un factor angiogénico que contribuye a la neovascularización de la retina, aumenta en presencia de diabetes. Algunos estudios reportan cambios dinámicos en la expresión de TSP-1 y VEGF en casos de neovascularización retiniana inducida por isquemia. Un incremento temprano en la expresión de VEGF favorece la proliferación y migración de células endoteliales vasculares, lo cual más tarde inhibe la producción de TSP-1. Por otra parte, algunos miARN como miR-27b y miR-320a, los cuales están implicados en la angiogénesis, podrían suprimir la expresión de TSP-1 en la RD. 

   La disfunción eréctil (DE) es  una complicación secundaria de la diabetes que afecta a más del 37% de los hombres con diabetes. Los mecanismos de la DE relacionada con la diabetes son multifactoriales y diferentes tipos de células son afectadas, incluyendo células endoteliales y de músculo liso. También se observa engrosamiento de los haces de colágeno y  proliferación de la matriz intercelular. Está demostrado que niveles significativamente elevados de estrés oxidativo y bajos niveles de antioxidantes en los tejidos del pene contribuyen a aumentar los depósitos de colágeno y la fibrosis del tejido eréctil.   La expresión de TSP-1 es regulada al alza en el tejido cavernoso de ratas diabéticas. La activación de TSP-1 y TGF-β1 bajo condiciones de hiperglucemia resulta en engrosamiento de la túnica albugínea, daño de las fibras de colágeno del pene y degeneración de las células de músculo liso. Esto, a su vez, está relacionado con la patogénesis de la DE  asociada a diabetes.  CTGF, fibronectina y colágeno tipo III y tipo IV inducidos por la TGF-β1 también aumentan en el cuerpo cavernoso. El estrés RE también juega un rol importante en la progresión de la DE a través de la activación de la respuesta inflamatoria.

   La enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD) es una enfermedad común en la diabetes que también se caracteriza por fibrosis. Los marcadores de fibrosis, incluyendo TGF-β1, colágeno tipo I, III y IV, CTGF y fibronectina se observan en el tejido hepático diabético. Más aún, la regulación al alza de la expresión de TSP-1 también se observa en el tejido hepático. En modelos animales de diabetes, la TSP-1 juega un rol crítico en la fibrosis en la NAFLD pues PKC, MAPK, Ang II y estrés RE son activados en el tejido hepático después de la estimulación con hiperglucemia.

   Es bien conocido que la hiperglucemia diabética afecta la progresión de la angiogénesis pues los niveles elevados de glucosa provocan pérdida de la integridad de los capilares y disfunción de las células endoteliales. Los efectos anti-angiogénesis de la TSP-1 están implicados en el desarrollo de las complicaciones vasculares de la diabetes, lo cual puede estar asociado con la inhibición del crecimiento de las células  endoteliales. A nivel celular, la célula endotelial es un determinante del inicio de la angiogénesis a través de la expresión de VEGF. La TSP-1  inhibe la transducción de la señal VEGF a través de la disminución de la fosforilación del receptor VEGFR2. Adicionalmente, la unión de la TSP-1 al CD36 resulta en supresión de la angiogénesis a través de la inhibición de la migración de células endoteliales y la inducción de la  apoptosis de células endoteliales. Por otra parte, la inhibición del óxido nítrico (NO) por la TSP-1 también inhibe la angiogénesis pues el NO tiene un efecto sobre la proliferación celular.

   En conclusión, la TSP-1 tiene un rol importante en la progresión de la fibrosis en las complicaciones de la  diabetes. El rol de la TSP-1 puede ser diferente en los tejidos y órganos dañados por la diabetes. Es bien conocido que la expresión de TSP-1 no solo está asociada con muchas proteínas, también puede estimular diferentes sustancias para acelerar la progresión de la fibrosis.  Múltiples rutas y proteínas de la MEC disparan la progresión de la fibrosis como resultado del incremento en la expresión de TSP-1.

Fuente: Xu L et al (2020). Thrombospondin-1: a key protein that induces fibrosis in diabetic complications. Journal of Diabetes Research Article ID 8043135.